磷與生命起源（簡體書）

生命是一種奇妙的、極富魅力的自然現象。地球上的原始生命是如何產生的？關於生命起源的探索一直以來都是國際公認的四大前沿基礎科學問題之一。探索生命的起源有利於人類充分理解生命的本質，可以從“根源”出發，了解病毒、細菌乃至真核細胞等多種生命形態，進而引導人類進行地外生命的探索，最終造福於人類。磷是生命的基本元素，磷與生命的起源息息相關。本書獨辟蹊徑聚焦磷元素，詳細解析了在生命的化學起源之初，磷元素是如何參與到生物大分子從無到有的構建過程中，闡釋了磷對生物物質的催化與調控作用。本書涉及了生命起源研究中人類普遍關切的科學問題，包括為什麼大自然會選擇α-氨基酸、手性及遺傳密碼子起源問題、生命體系中的代謝網絡起源、原始細胞是如何產生的等。本書適合化學、生命科學、藥學及相關專業高等院校師生以及對生命起源感興趣的科學工作者閱讀，會給讀者帶來一些新的啟發，引發一些新的思考。

從生命體系重要的元素——磷出發，探討前生源化學進化過程中磷元素所發揮的作用，為解開生命起源這個世界之謎提供了新的研究思路，促進化學、生物、地質、空間科學的相關學科及技術的融合、發展，

生命起源是人類永恒的奧秘，被國際學術界公認為四大基礎科學問題之一。為紀念創刊125周年，《科學》（Science）雜志曾於2005年7月提出了125個重要的科學問題，其中25個最突出的重點問題（highlighted questions）的第12位就是有關生命起源的問題——地球生命在何處產生、如何產生? 針對這些未知問題的探索可以激發生物、化學、物理、地質、空間科學以及海洋科學等多學科交叉研究，推動各學科發展。它們不僅是自然之謎，更是一個個人類科學探索的機會。
地球上的生命是由磷元素主導的。磷元素在DNA中占了9%，DNA單酯的水解半衰期長達1萬億年，雙酯的水解半衰期也長達10萬年，其磷酸酯超強的穩定性是硅、砷、硫等其他元素無法取代的。1957年諾貝爾化學獎獲得者L. Todd教授認為“哪裡有生命，哪裡就有磷”，並指出“如果宇宙中其他任何地方存在生命的話，那只會是在一個容易獲取磷的星球上”。生命起源研究與地外生命探索是相輔相成的，因此生命起源的探索能幫助人類從“根源”出發了解生命的本質，進而引導人類進行地外生命的探索，最終造福於人類。
在我國，相對於眾多“生命起源”的科普書籍來說，“生命起源”，特別是從“磷化學”的角度探討“生命化學起源”相關研究的學術專著比較匱乏。本書集結了我國生命起源研究領域眾多研究者幾十年的研究成果，闡釋了在生命起源研究領域普遍關切的重要科學問題，包括：蛋白質的前生源化學起源；核苷酸的前生源化學合成；氨基酸-磷酸混合酸酐的形成及其反應；基於高能P-N鍵的核酸、蛋白質、膜共起源；基於高能P-N鍵活化的功能二肽的發現；磷調控下的遺傳密碼子起源與同手性起源；磷與代謝起源；ATP與蛋白質起源；原始細胞——非生命物質與生命體之間的橋梁；磷與地外生命探索；等等。這些研究成果，相信會對人類解開生命起源之謎帶來一些新的啟發和思考。
在書稿的撰寫過程中，英國劍橋大學的劉紫微博士參與編寫了第二、四章內容，北京大學的梁德海教授參與了第十章的編寫，華中農業大學的褚欣奕博士、田恬博士等參與了第八、九、十一章的編寫，寧波大學的應見喜副研究員、新鄉醫學院公共衛生學院張鵬波副教授及廣東醫科大學藥學院王濤講師三人參與了第三、七章的編寫，在此對以上各位老師的辛勤付出表示衷心感謝。
感謝多年來一直關心磷化學發展的各位讀者朋友們。限於編者水平，書中的不妥之處，敬請讀者朋友們批評指正。
編者
2024年1月

1生命起源的研究概況 001
1.1生命起源假說 002
1.1.1RNA世界 003
1.1.2HCN與生命起源 007
1.1.3冰晶與生命起源 010
1.1.4海洋與生命起源 011
1.2磷與生命起源 016
1.2.1磷的原始來源 018
1.2.2前生源環境下的有效磷源 021
1.3生命起源——人類永恒的奧秘，探索未知世界的動力 023
參考文獻 024

2核苷酸的前生源化學合成 029
2.1核苷酸的組成 030
2.2核糖核苷酸的前生源逆合成法 032
2.2.1堿基的合成 032
2.2.2糖類的合成 033
2.2.3糖苷鍵及磷脂鍵的合成 034
2.3核糖核苷酸以及脫氧核糖核苷酸的系統化學合成法 038
2.3.1嘧啶核糖核苷酸的合成 038
2.3.2嘌呤脫氧核糖核苷酸的合成 041
參考文獻 043

3蛋白質的前生源化學起源 045
3.1多肽前生源化學合成途徑概況 046
3.1.1早期地球前生源的環境概況 046
3.1.2多肽前生源化學合成途徑 047
3.2磷參與下的多肽前生源化學 054
3.2.1磷促進氨基酸的前生源合成 054
3.2.2磷促進多肽的前生源合成 055
參考文獻 057

4氨基酸-磷酸混合酸酐的形成及其反應 063
4.1連續性原則 064
4.2氨基酸-磷酸混合酸酐的前生源合成 066
4.2.1氨基酸及其衍生物的前生源活化 067
4.2.25′-磷酸核苷酸與N-羧基環內酰胺的反應及混合酸酐穩定性 072
4.2.35′-磷酸核苷酸與5(4H)-唑酮的反應及手性選擇性 073
4.3氨基酸核酸酯或核苷酸酯的前生源合成 074
4.4氨基酸與核苷酸的同時活化 078
4.5RNA世界假說與蛋白質-核酸共起源 080
參考文獻 081

5高能P-N鍵調控的核酸、蛋白質、膜的共起源 083
5.1高能P-N鍵的化學特性及生物學意義 084
5.1.1磷酸化精氨酸 087
5.1.2磷酸化組氨酸 087
5.1.3磷酸化賴氨酸 088
5.2高能P-N鍵和蛋白質的化學起源與演化 089
5.2.1氨基酸的前生源形成 090
5.2.2前生源環境下的氨基酸成肽反應 091
5.2.3磷化學與前生源多肽的形成 093
5.2.4N-磷酰化氨基酸 094
5.2.5磷參與α-氨基酸的自然選擇 097
5.3高能P-N鍵與核酸、蛋白質共起源 103
5.4N-磷酸化氨基酸與細胞膜起源 105
5.4.1細胞膜前生源獲得途徑概況 106
5.4.2N-磷酰化氨基酸與細胞膜起源的關係 112
5.4.3原始細胞膜的進化 118
5.4.4基於P-N鍵的核酸、蛋白質、細胞膜共起源理論 118
參考文獻 121

6高能P-N鍵介導的功能二肽的發現 127
6.1Ser-His對DNA的水解活性 128
6.2Ser-His對蛋白質的水解活性 131
6.3Ser-His與底物蛋白質相互作用的雙功能性 133
6.4Ser-His與絲氨酸蛋白水解酶的分子進化關係 134
6.5絲組二肽——現代酶的原始進化雛形 139
6.6絲組二肽新功能的發現 140
參考文獻 141

7磷調控下的遺傳密碼起源與同手性起源 143
7.1遺傳密碼化學起源研究概況 144
7.2N-磷酸化氨基酸與遺傳密碼起源 146
7.2.1化學起源模型的建立 146
7.2.2核苷與二肽生成量的關係評價 150
7.3生命體同手性的自然選擇 160
7.3.1氨基酸、核苷的同手性選擇 160
7.3.2五配位磷中心的手性研究 161
7.3.3氨基酸與核苷酸的相互作用 169
7.3.4基於磷化學同手性起源化學模型的建立 170
參考文獻 172

8ATP等輔因子與蛋白質起源 177
8.1ATP-氨基酸相互作用 178
8.1.1ATP的結構及與氨基酸的相互作用 178
8.1.2基於質譜技術的ATP與氨基酸的弱相互作用研究 179
8.1.3基於熒光光譜技術的ATP與氨基酸的弱相互作用研究 182
8.1.4基於核磁共振技術的ATP與氨基酸的弱相互作用研究 184
8.1.5ATP與氨基酸的弱相互作用的理論分析 185
8.2最古老的蛋白質——ATP結合蛋白的發現及意義 189
8.2.1蛋白質序列和結構分子化石 190
8.2.2輔因子分子化石和蛋白質起源的小分子誘導/選擇模型 192
8.2.3輔因子促進原始蛋白質形成 195
8.2.4小分子標定的蛋白質結構分子鐘 196
8.2.5使用金屬輔因子的早起源蛋白質 198
參考文獻 198

9磷與代謝起源——系統生物學研究 203
9.1磷在原始代謝中的作用 204
9.2磷與代謝網絡構建 206
9.2.1無磷代謝網絡的構建 206
9.2.2磷依賴代謝網絡的構建 207
9.3磷依賴代謝網絡起源 210
9.4磷依賴代謝網絡功能分析 214
9.5磷對代謝網絡擴張的熱力學影響 217
參考文獻 222

10原始細胞——非生命物質與生命體之間的橋梁 227
10.1原始細胞 228
10.1.1原始細胞研究概述 228
10.1.2原始細胞的構建原則和策略 231
10.2原始細胞的類型 234
10.2.1脂肪酸體系 235
10.2.2凝聚物體系 239
10.2.3雜化原始細胞 245
10.2.4類蛋白微球體系 246
10.2.5其他類型的原始細胞 247
10.3原始細胞的群體行為 254
10.3.1化學信息交流 254
10.3.2捕食行為 255
10.3.3原生組織 257
10.4結論 260
參考文獻 261

11磷與地外生命探索 269
11.1地外生命探索的傳統印記 271
11.1.1氣體生命印記 271
11.1.2表面生命印記 274
11.1.3時間生命印記 277
11.2磷是否可以作為生命探尋的有效印跡 279
11.2.1磷與地球生命起源 279
11.2.2磷與地外生命探索 281
參考文獻 286

索引 290